Grundlagen des Heizsystems. Durchführung des hydraulischen Abgleichs. Optimierung der Heizanlage im Betrieb. Wirtschaftlichkeit von Brennwertkesseln

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1 ECOCAMPING Kurzinformation Hydraulischer Abgleich und Heizungsoptimierung bearbeitet von Constanze Rau Stand 01/2010 Grundlagen des Heizsystems Durchführung des hydraulischen Abgleichs Optimierung der Heizanlage im Betrieb Wirtschaftlichkeit von Brennwertkesseln Glossar heizungstechnischer Fachtermini Förderung: ECOCAMPING e.v

2 1 Einführung Die ECOCAMPING Kurzinformation verfolgt das Ziel, dem Leser Nutzen und Ablauf des hydraulischen Abgleichs einer Heizungsanlage näher zu bringen. Darüber hinaus wird auf grundlegende Begrifflichkeiten und Zusammenhänge der Anlagenoptimierung in bestehenden Gebäuden eingegangen. Dem Leser soll es durch die Kurzinformation in erster Linie möglich werden, Optimierungsbedarf an der eigenen Heizungstechnik zu erkennen, auftretende Probleme und Schwierigkeiten einzuordnen und eventuell selbst kleinere Optimierungsschritte vorzunehmen. Zudem sollte das in der Kurzinformation vermittelte Wissen eine Grundlage bieten, um dem jeweiligen Handwerker- Fachbetrieb die richtigen Fragen stellen zu können. Es ist nicht das Ziel eine umfassende Anleitung zur eigenständigen Berechnung und Auslegung von Anlagen oder zur umfassenden Anlagenoptimierung zu geben. Dies ist Aufgabe eines Fachbetriebs. Die hieraus erwachsenden, nicht unerheblichen Kosten rechnen sich gewöhnlich im Laufe der ersten Betriebsjahre. Prinzipiell sollte der hydraulische Abgleich der Heizungsanlage nach Abschluss der Installation eines Heizsystems durchgeführt worden sein. Dies ist aber oft nicht der Fall, bzw. nicht sorgfältig durchgeführt worden, oder mittlerweile haben sich Änderungen am Heizwärmebedarf des Gebäudes oder der Leistung des Wärmeerzeugers ergeben. Diese Kurzinfo ist auf die Optimierung von Altanlagen gerichtet. Bei einem Neubau sind die relevanten Parameter bekannt und planbar. In Deutschland gilt seit dem 1. April 2004 die DIN EN (Juni 2003). Danach ist eine fachgerechte Planung mit Heizlast-, Rohrnetz-, und Heizflächenberechnung von einem Planer erforderlich. In Deutschland ist der Handwerker, der sein Werk im Sinne der Verbände vollständig ausführen möchte, nach der Vergabe- und Vertragsordnung für Bauleistungen (VOB) Teil C verpflichtet, Heizungsrohrnetze hydraulisch abzugleichen. 2

3 2 Grundlagen des Heizungssystems Zweck einer Heizungsanlage ist ein behagliches Raumklima in allen zu beheizenden Räumlichkeiten. Ziel von Überlegungen zur Auslegung und Abstimmung eines Heizsystems muss daher auch sein, die Wärmeversorgung der einzelnen Räume unabhängig voneinander sicherzustellen umso mehr, wenn es sich nicht um ein Einfamilienhaus oder reines Wohngebäude handelt, bei dem sich die Nutzung zu jeder Tageszeit auf einzelne wenige Räume konzentriert und andere gar nicht geheizt werden brauchen. Das bedeutet, dass das System so geplant sein muss, dass der maximale Wärmebedarf in jedem Raum zur gleichen Zeit sichergestellt ist. Meist geschieht dies, indem an einem zentralen Punkt Wärme erzeugt wird, welche auf ein Trägermedium (normalerweise Wasser) übertragen wird. Dieses Wasser wird durch ein verzweigtes Rohrsystem an die zu erwärmenden Punkte geleitet. Dort wird ein Teil der Wärmeenergie über ein Heizelement an die Umgebungsluft abgegeben Das leicht abgekühlte Wasser fließt daraufhin wieder zurück, um erneut erwärmt zu werden. Die Temperaturregulierung des in den Heizkörpern zirkulierenden Wassers sollte über eine witterungsgeführte, d.h. sich an den Außentemperaturen orientierende, Regelung des Heizkessels erfolgen. Die Feinabstimmung der Raumtemperatur hingegen geschieht über das Thermostatventil. Selbstregelnde Thermostatventile verhelfen zu einem angenehmen Raumklima und zu Ersparnissen bei den Energiekosten. 2.1 Elemente des Heizsystems Das Heizsystem setzt sich aus drei wesentlichen Komponenten zusammen: Wärmeerzeuger (Brennwertkessel, Wärmepumpe etc.) Insbesondere bei Altbauten sind die Wärmeerzeuger in der Regel überdimensioniert und bieten damit großes Einsparpotential. Hier wird häufig noch immer mit einer Temperaturspreizung von 70/90 gearbeitet. Zu berücksichtigen sind auch erfolgte Sanierungsmaßnahmen im Bereich der Wärmedämmung oder der Fenster in diesen Bereichen liegen bis zu 60% Einsparpotenzial. Die Leistung des Wärmeerzeugers ist im Hinblick auf den kältesten Tag des Jahres geplant. Diese Auslegungstemperatur richtet sich nach den regionalen Klimabedingungen. In 3

4 Deutschland variiert sie zwischen -12 C und -20 C. Diese Extremtemperaturen werden nur an sehr wenigen oder gar keinen Tagen erreicht, so dass auch bei an der aktuellen Heizlast orientierter Dimensionierung das System sehr selten voll ausgenutzt wird. Zudem sind die Reduktion der Überkapazitäten in den Übergangszeiten und eine optimale Nutzung der Nachtabsenkung in diesem Zusammenhang zentrale Stellschrauben zur Optimierung der Energieeffizienz. Wärmeverteilung Die Verteilung der Heizwärme vom meist im Kellerbereich installierten Wärmeerzeuger zu den Heizelementen erfolgt über eine Umwälzpumpe. Diese Pumpen haben einen nicht zu vernachlässigenden Strombedarf. Häufig sind auch sie überdimensioniert und befinden sich in einem nicht notwendigen Dauerlaufbetrieb. Durch eine Reduzierung der Förderhöhe sind neben ökologischen und finanziellen Einsparungen auch Komfortzugewinne zu erzielen, da unangenehme Fließgeräusche vermieden werden können. Sowohl das Rohrleitungsnetz als auch die Heizungspumpe sollten zur Vermeidung unnötiger Energieverlusten ausreichend gedämmt sein. Wärmeübergabe über die Heizelemente Der Grad der Wärmeübergabe ist von mehreren Faktoren abhängig: Am bedeutendsten sind die Fläche und Bauweise der Heizelemente (z.b. Flächenheizung wie Fußbodenheizung oder Wandheizung vs. Heizkörper) und die Differenz zwischen Raumtemperatur und der Temperatur des Wärmeträgermediums (Vorlauftemperatur). Eine Rolle spielen auch Wohnelemente wie Vorhänge und Möbelstücke vor dem Heizkörper, welche die Wärmezirkulation in den Raum behindern. Die Heizflächen werden bei der Optimierung in einem Altbau als feste Größe angenommen. Alte Heizkörper sind praktisch immer zu wuchtig, da es früher üblich war, eine Dimensionierung der Heizkörper auf Basis der Größe der Fensternische anstelle der Leistung vorzunehmen. Die Regulierung der Wärmezufuhr in den Heizkörper geschieht im manuellen Betrieb über den Handgriff, mit dem die Öffnung des sich darin verbergenden Ventils geregelt wird und so der Massenstrom an Heizwasser begrenzt werden kann. Bei Ventilen mit eingebautem Thermostat hingegen nimmt man am Handgriff die Einstellung der gewünschten Raumtemperatur vor, der Ventilhub wird automatisch angepasst. 4

5 2.2 Das Thermostatventil Funktionsweise eines Thermostatventils Das Thermostatventil besteht aus zwei Hauptkomponenten: einem Ventil und einem Thermostat: Abbildung 1: Thermostat Innenansicht und Thermostatventil Abbildung 1 zeigt die Innenansicht eines Thermostats und ein Thermostatventil. Der eingebaute Temperaturfühler, ein Gas oder eine Flüssigkeit, reagiert auf Änderungen der Raumtemperatur mit einer Volumenänderung. Steigt die Raumtemperatur, so dehnt sich das Temperaturfühlermedium aus und drückt das in Abbildung zwei zu sehende Ventil aus dem Thermostat hinaus. Das partielle Schließen wiederum bewirkt eine Verringerung des möglichen Wassereinstroms in den Heizkörper und somit eine Regulierung der Wärmeabgabe des Heizelements. Die Zahlen auf dem Thermostathandgriff bezeichnen bestimmte, individuell voreingestellte Temperaturen. Befinden sich zum Beispiel viele sekundäre Wärmequellen wie Menschen oder eingeschaltete Elektrogeräte im Raum oder es wird gerade gekocht, so würde die Raumtemperatur bei gleichbleibender Heizleistung (unangenehm) ansteigen. Der Thermostat passt die Wärmeabgabe des Heizelements an, so dass die gewählte Raumtemperatur gehalten wird. Die Vorteile eines Thermostatventils sind: Sekundäre Wärmequellen werden berücksichtigt Konstante Raumtemperatur Energieeinsparung durch Wegfall unnötigen Lüftens aufgrund von überheizten Räumen Aktiver Umweltschutz 5

6 Amortisation innerhalb weniger Monate Wirklich ausnutzen kann man diese Vorteile aber nur, wenn die Voreinstellung (siehe 3.5) auch korrekt vorgenommen wurde Varianten des Thermostatventils Der Temperaturfühler im Thermostat kann entweder eine Flüssigkeit oder ein Gas sein. Die Verwendung einer Flüssigkeit entspricht dem Stand der Technik. Die mit Gas gefüllte Variante hat aber eine deutlich kürzere Reaktionszeit und kann somit punktgenauer regulieren. Zu unterscheiden sind des weiteren Thermostatventile mit Voreinstellung und ohne Voreinstellung. Der Vorgang der Voreinstellung ist Teil des hydraulischen Abgleichs. (Bildquelle Impulsprogramm Hessen) Abbildung 2: Eingebautes Thermostatventil mit Voreinstellung Schließlich gibt es für Räumlichkeiten mit konstantem Nutzungsverhalten (z.b. Büroräume) programmierbare Thermostate, die zeitgesteuertes Heizen ermöglichen. Der Vorteil hierbei ist, dass einerseits bei Nutzungsbeginn ein angenehm temperierter Raum zur Verfügung steht und andererseits verhindert wird, dass durch zu spätes manuelles Hinunterregulieren außerhalb des Nutzungszeitraums geheizt wird. 6

7 3 Durchführung des hydraulischen Abgleichs 3.1 Was ist der hydraulische Abgleich? Knapp ausgedrückt verbirgt sich hinter dem Ausdruck hydraulischer Abgleich die Bemühung, das Heizsystem so abzustimmen, dass alle Heizelemente gleichmäßig warm werden, unabhängig von ihrem Standort. Die Berechnung und Einstellung der korrekten Voreinstellwerte am Thermostatventil ist der wesentlichste Schritt. Auf Basis des Wärmebedarfs eines Raumes und der Leistung des Heizelements sowie des Wärmeerzeugers wird der ideale Massenstrom an Heizwasser berechnet, der bei einem gewünschten Temperaturniveau durch das Heizelement fließen muss. Die Heizkreise werden so aufeinander abgestimmt, dass es zu einer gleichmäßigen Verteilung des Heizwassers im Vorlauf und entsprechender Wärmeabgabe im Gebäude kommt. Die verschiedenen Längen der Heizkreise werden so ausgeglichen. Aus dieser Erläuterung wird schon deutlich, dass der hydraulische Abgleich in jedem Gebäude individuell ausgeführt werden muss. Thermostatventile mit vom Hersteller eingestellten Voreinstellwerten können nur bedingt den Anforderungen eines bestimmten Heizsystems gerecht werden. 3.2 Wieso einen hydraulischen Abgleich durchführen? Ist das System nicht hydraulisch abgeglichen, sucht sich das Wasser gerne den Weg des geringsten Widerstands. Die Folgen sind vielfältig. Gemein ist ihnen, dass die vom Wärmeerzeuger gelieferte Endenergie nicht optimal in Nutzenergie (=Raumwärme) umgesetzt wird, was Effizienz- und Komfortverluste mit sich bringt. Im Folgenden eine Liste der klassischen Symptome, die auf eine mangelhafte Abstimmung des Zusammenspiels der Heizkomponenten hinweisen und durch einen hydraulischen Abgleich und anschließende Optimierung des Heizsystems behoben werden können: ungleiche Wärmeabgabe in verschiedenen Räumen ungleichmäßige Aufheizzeiten der Heizelemente langes Warten auf Wärme nach Abschalt- oder Absenkphasen in den einzelnen Räumen schlechtes Regelverhalten der Thermostatventile Geräusche 7

8 zu hohe oder zu niedere Rücklauftemperaturen Insbesondere nach Sanierungsmaßnahmen, welche den Heizwärmebedarf deutlich verringert haben, wie der Anbringung zusätzlicher Wärmedämmung oder dem Austausch des Niedertemperaturkessels gegen einen Gas-Brennwertkessel ist ein erneuter hydraulischer Abgleich des Systems notwendig. Vorteile des abgeglichenen Systems liegen auf der Hand: Durch die konstante, den individuellen Bedürfnissen angepasste, Raumtemperatur und das Wegfallen von Strömungsgeräusche erhöht sich der Wohnkomfort deutlich. Des Weiteren lassen sich durch die optimale Lenkung der Wärmeenergie Energiekosten einsparen. Damit einher geht ein aktiver Beitrag zum Umweltschutz durch die Minderung des CO 2 -Ausstoßes. 3.3 Voraussetzungen Vorbedingung zur Durchführung des hydraulischen Abgleichs ist die Möglichkeit an jeder Heizfläche die Durchflussmenge zu variieren. Das heißt, dass an jedem Heizkörper Armaturen vorhanden sein müssen, welche eine Regulierung des Wasserstroms erlauben. Hierzu bedarf es eines Thermostatventils mit integrierter Möglichkeit zur Voreinstellung eines konstanten Differenzdrucksollwerts (in der Regel 100 mbar) Thermostatventil mit integrierter Möglichkeit zur Voreinstellung Mit der Anbringung eines Thermostatventil ist es leider nicht getan. Früher war es üblich lediglich Handregulierventile einzubauen, die zwar eine Regulierung des Wasserdurchfluss erlaubten, aber keinen Abgleich mit der Temperatur. Sind Heizkörper noch nach diesem alten System ausgerüstet, muss unter Umständen zunächst ein voreinstellbarer Fühler eingebaut werden. Hierzu gibt es zwei Möglichkeiten: a) Austausch des Ventileinsatzes Der Austausch ist schnell, einfach und sauber. Allerding ist er nicht bei jedem Thermostatventil möglich. Abbildung 3 zeigt einige seit 1960 handelsübliche Fühlerelemente, die sich leicht austauschen lassen. 8

9 Abbildung 3: Handelsübliche Handgriffe seit 1960 Die nachfolgende Abbildung beschreibt den Austauschvorgang in 10 Schritten: Abbildung 4: Austausch des Fühlerelements in 10 Schritten b) Einsatz eines neuen Ventils Muss ein neues Ventil eingesetzt werden, so muss abgewogen werden, welcher Typ am besten geeignet ist (siehe 2.2.2). Hinweise zu den passenden Fühlern zu Ventilgehäusen finden sich unter Differenzdruckregler mit einstellbarem Sollwert Nur wenn ein konstanter Differenzdruck an den Ventilen herrscht, können die Voreinstellwerte am Thermostat korrekt bestimmt werden. Siehe hierzu den Abschnitt

10 3.4 Einbau eines Differenzdruckreglers und einer Hocheffizienzpumpe Der Einbau eines Differenzdruckreglers bewirkt, dass einzelne Abschnitte des Rohrleitungssystems voneinander unabhängig sind. Es herrscht ein konstanter Differenzdruck an jedem Anlagenabschnitt und in jedem Lastfall. Besonders sinnvoll ist der Einbau bei: größeren Anlagen mit einem weit verzweigtem Netz und mit großen Unterschieden im Nutzerverhalten Brennwertgeräten mit Pumpen, die eine hohe Förderhöhe haben (Austausch der meist überdimensionierten Pumpen mit energieeffizienten Pumpen kann erst nach Ablauf der Gewährleistungsfrist nicht erfolgen) Bezüglich der Pumpen ist es hilfreich, zunächst eine Vorstellung vom Zusammenhang zwischen Wärmeleistung und Volumenstrom zu gewinnen. Halbiert man zum Beispiel bei Konstanthaltung aller weiteren Parameter den Volumenstrom, so sinkt der Wärmeoutput nur auf 86%. Wird hingegen der Volumenstrom verdreifacht, beträgt der Zugewinn an Mehrwärme nur 12%. Von einer Anhebung der Pumpenförderhöhe ist somit generell abzuraten. Für die Bestimmung des Differenzdruck-Sollwerts geht man von einem Ausgangswert von 100mbar aus. Generell gilt aber, dass der Druck so niedrig wie möglich gewählt werden sollte, um Energie zu sparen. Für die Berechnung des Druckverlusts in der Rohrleitung liegt eine Annahme von 1-1,5 mbar/m (Vor- und Rücklauf) zugrunde. Für den Heizkörper nimmt man 20mbar zur Überwindung des Eigendruckverlusts des Ventils an, bei sanierten Objekten allerdings unter Umständen deutlich weniger. Bei Hocheffizienzpumpen passt sich das Fördervolumen und damit die benötigte elektrische Energie an den Wärmebedarf an. 10

11 Abbildung 5: Zusammenhang von Differenzdruck, Entfernung zum letzten Heizkörper und Ventilautorität Entscheidend für den notwendigen Druck ist die Entfernung der Pumpe zum letzten Heizkörper. Abbildung 5 veranschaulicht diesen Zusammenhang für eine max. Entfernung von 33m und 66m zum letzten Heizkörper. Besonders bei Brennwertgeräten sind höhere Temperaturspreizungen gewünscht um den Brennwert optimal ausnutzen zu können. Dies wiederum vermindert die notwendige Pumpenleistung. Mit elektronisch geregelten Pumpen sind bis zu 50% Ersparnis gegenüber ungeregelten Pumpen erzielbar, allerdings sind auch die Anschaffungskosten höher. Herkömmliche Pumpen in Heizungsanlagen setzen nur etwa 10 bis 15 % der elektrischen Energie in Pumpleistung um. Umwälzpumpen arbeiten nicht selten bis Betriebsstunden pro Jahr. Pro Watt Leistungsaufnahme der Pumpe entsteht somit ein Stromaufwand von bis zu 8 kwh/a. Durch Austausch eines ungeregelten Modells gegen eine Hocheffizienzpumpe können jährlich bis zu 90 % der Stromkosten für den Pumpenbetrieb eingespart werden. Ab 2013 sollen ineffiziente Umwälzpumpen in zwei Stufen vom Markt verschwinden Die EG-Verordnung gilt für Nassläufer -Umwälzpumpen mit einer Leistung zwischen 1 W und W. Betroffen sind neben Heizungsumwälzpumpen, Solarpumpen sowie Sole-Umwälzpumpen von Wärmepumpen. Trinkwasser-Zirkulationspumpen müssen den Hinweis tragen, dass sie 11

12 nur für die Zirkulation von Trinkwasser geeignet sind. Eine verpflichtende Energieverbrauchskennzeichnung ist nicht vorgesehen, weil die Energieverbräuche der Umwälzpumpen, die die Anforderungen erfüllen, so niedrig sind, dass man sie kaum mehr sinnvoll unterscheiden kann. 12

13 3.5 Einstellung der Voreinstellwerte Die Voreinstellwerte sind hauptsächlich abhängig von der Heizlast (raumweise) und der installierten Heizfläche. Abbildung 6 veranschaulicht den Zusammenhang grafisch. Abbildung 6: Heizlast in Abhängigkeit von der beheizten Fläche und dem Wärmeschutzstandard des Gebäudes Bei der Einstellung der Voreinstellwerte wird den Werten (N, 7, 6,, 1) auf dem Thermostathandgriff ein bestimmter Ventilhub und damit ein definierter Durchfluss zugeordnet. Die Voreinstellung kann über einen Datenschieber oder einem Programm zur Armaturenauslegung erfolgen. Beides steht auf der Homepage von Danfoss zum Download zur Verfügung (waermeautomatik.danfoss.com). Die genaue Berechnung einer Altanlage ist aufgrund der vielen Unbekannten kaum möglich. Wird auf exakte Genauigkeit Wert gelegt, sollte jedem Fall das Hinzuziehen eines Fachmanns erwogen werden. Ansonsten sollte man sich das Verhältnis zwischen Aufwand und Nutzen einer mehr oder weniger exakten Berechnung vor Augen halten und eventuell die durch die Berechnung mit Grenzwerten entstehenden Toleran- 13

14 zen akzeptieren. Die entscheidenden Parameter sind der Massenstrom der Differenzdruck über dem Ventil Der Massenstrom kann über den Datenschieber oder die Software ermittelt werden. Kennen muss man hierzu die vorhandene Heizfläche und die Spreizung. Die Basisannahme ist, dass bei Altanlagen über dem Thermostatventil ein Druck von 50mbar herrscht (das entspricht dem angenommenen Ausgangswert von 100 mbar und einer Ventilautorität von 0,5.). Bei stark reduziertem Massenstrom, wie er beim Einbau von Brennwertkesseln mit hoher Spreizung oder nach starker Verbesserung des Wärmeschutzes resultiert, kann auch von 30 mbar ausgegangen werden. Mit diesen Grundparametern arbeitet auch der Datenschieber. Es gilt: je weiter der Heizkörper vom Wärmeerzeuger entfernt ist, desto geringer die Ventilautorität. Bei sehr geringen Massenströmen sollte man zudem ein Ventil mit Feinstvoreinstellung wählen. Die Rücklaufverschraubung ist nur selten zur Regulierung des Durchflusses des Heizkörpers geeignet, da die Einstelltoleranzen eine sinnvolle Drosselung meist nicht erlauben bzw. sich diese sehr schwierig gestaltet. Hilfsmittel zur Abschätzung des korrekt erfolgten hydraulischen Abgleichs: Gleichmäßige Erwärmung aller Heizkörper/Heizflächen Gleichmäßige Temperaturdifferenzen an Ein- und Auslauf des Heizkörpers/der Heizfläche 14

15 4 Weitergehende Optimierung der Heizanlage Neben dem hydraulischen Abgleich kann die Heizanlage im Betrieb durch Veränderungen der Vorlauftemperatur und der Heizkurve sowie durch die Regelung der Heizphasen optimiert werden. 4.1 Optimale Vorlauftemperatur und Heizkurve Die Wärmeabgabe lässt sich einerseits zentral durch die Vorlauftemperatur steuern und andererseits lokal durch den Durchfluss am Heizkörper. Zweitgenanntes wurde im Anschnitt hydraulischer Abgleich diskutiert. Die Einstellung der Vorlauftemperatur kann entweder durch die bei Altbauten sehr schwierige Berechnung der Anlage erfolgen oder indem man sich schrittweise mit ausreichenden Anpassungszeiträumen an die minimal mögliche Temperatur herantastet. Soll eine genaue Berechnung erfolgen, so ist Kenntnis der Wärmedurchgangskoeffizienten (U-Werte) der Gebäudekonstruktion nötig. Bei bestehenden Gebäuden ist diese Berechnung allerdings nur näherungsweise möglich. Schätzungen mit Standardwerten bringen meist zufriedenstellende Resultate. Folgende Wirkungszusammenhänge von Änderungen der Vorlauftemperatur sollte man sich vergegenwärtigen: Maximierung der Vorlauftemperatur (= max. Spreizung): Der Nutzungsgrad des Wärmeerzeugers verschlechtert sich Kleine Massenströme resultieren, Ventile mit sehr kleinen Kv-Werten (= Durchfluss durch das Ventil) werden notwendig Der Brennwertnutzen des Energieträgers steigt durch niedrige Rücklauftemperatur Aber: Bei Standard-NT Kesseln können niedere Rücklauftemperaturen zu Kondensation und damit zu Korrosion führen. Überhöhung der Heizkurve in der Übergangszeit kann durch spürbar warme Heizkörper zu subjektivem Wärmeempfinden beitragen. Zudem Schnellaufheizeffekt. 15

16 Minimierung der Vorlauftemperatur (= min. Spreizung): Verteilerverluste in den Rohrleitungen werden gesenkt Ein hoher Kesselnutzungsgrad wird erreicht, weil die mittlere Heizübertemperatur und die Bereitschaftsverluste sinken und sich die Abgastemperaturen verringern Die Thermostatventile können ihrer Aufgabe der Fremdwärmenutzung besser nachkommen Aber: Kleine Wärmeübertragerkennwerte, d.h. schlechteres Regelungsverhalten der Heizkörper Geringere Temperaturspreizung bedeutet einen steigenden Massenstrom an Heizungswasser, was wiederum bedeutet, dass die notwendige Pumpenförderleistung steigt Tabelle 1 zeigt das empfohlene Vorgehen für verschiedene beobachtete Betriebszustände. Die Heizkurve gibt den Zusammenhang zwischen der Außentemperatur und der Vorlauftemperatur wieder. Eine steile Heizkurve bedeutet eine relativ starke Reaktion auf Außentemperaturänderungen, eine flache eine relativ geringe. Heizsituation Winter in Ordnung. Frühjahr und Herbst zu kalt. Winter in Ordnung. Frühjahr und Herbst zu warm. Winter zu kalt. Frühjahr und Herbst in Ordnung. Winter zu warm. Frühjahr und Herbst in Ordnung. Empfohlenes Vorgehen Heizkurve flacher einstellen und parallel anheben. Heizkurve steiler einstellen und parallel absenken. Heizkurve leicht steiler einstellen und parallel absenken. Heizkurve flacher einstellen und parallel leicht anheben. Tabelle 1: Beobachtete Komfortsituation der Wärmeabgabe und empfohlene Korrektur der Heizkurve Bevor man erste Versuche der Optimierung unternimmt sollte man sich bewusst machen, ob a) die vorliegende Heizlast der installierten Heizkörperleistung entspricht (z.b. bei alten 16

17 Gebäuden mit NT-Kessel) oder b) die Heizlast deutlich geringer ist als Heizkörperleistung (z.b. bei Neuanlagen, nach Wärmedämmmaßnahmen) Im Fall a) kann man in kleinen Schritten bei verschiedenen Lastzuständen (verschiedene Außentemperaturen) die Vorlauftemperatur absenken. Ausschlaggebend für die mögliche Absenkung ist hierbei der am wenigsten überdimensionierte Heizkörper, d.h. man orientiert sich an dem Raum, in dem ein relativ kleiner Heizkörper relativ viel Wärme erzeugen soll. Im Fall b) wird zunächst die Heizlast in Prozent von der Heizkörperleistung ermittelt. Dann ist mit Hilfe von Tabellen (siehe Abb. 7) die mögliche Absenkung zu ermitteln. Abbildung 7: Anpassung der Vorlauftemperatur und der Voreinstellwerte an geänderte Heizlastverhältnisse Die Tabelle zeigt das Vorgehen nach einer Änderung der Heizlast (Spalte 2). Die erste Tabellenspalte zeigt die notwendige installierte Heizkörperleistung (HK-Leistung), der rot umrahmte Bereich die resultierenden Voreinstellwerte am Thermostatventil. Tv ist die Vorlauftemperatur, Tr die Rücklauftemperatur, dt die Temperaturspreizung. Der obere Tabellenbereich zeigt, was passiert, wenn die Vorlauftemperatur konstant bei 70 C gehalten wird, obwohl sich die Heizlast verringert hat (z.b. durch Dämmmaßnahmen). Die Voreinstellwerte am Thermostatventil müssen deutlich abgesenkt werden. Dies bringt neben Berechnungsauf- 17

18 wand weitere Nachteile im Betrieb mit sich. Werden die Voreinstellwerte nicht an die verringerte Heizlast angepasst, verschlechtern sich die Regelungseigenschaften des Thermostatventils deutlich. Variiert man hingegen die Vorlauftemperatur wie im mittleren Tabellenteil gezeigt ergibt sich selbst bei einer Reduzierung der Heizlast um 30 % nur eine rechnerische Änderung der Voreinstellwerte um 0,5, was vernachlässigt werden kann. Als Faustregel ist von einer Absenkung der Vorlauftemperatur um 4 C pro 10% Heizlast- Reduktion auszugehen. Soll bei der Absenkung der Vorlauftemperatur auch die Temperaturspreizung (dt) konstant gehalten werden wie im unteren Tabellenteil gezeigt, senkt man die Vorlauftemperatur einfach nur um 3 C pro 10% Heizlast-Reduktion und bewegt sich damit immer noch im Bereich akzeptabler Änderungen der Voreinstellwerte. 4.2 Heizphasen optimieren Ein weiterer Schritt zur Einsparung von Energie ist Räumlichkeiten wirklich nur dann zu beheizen, wenn sie auch genutzt werden. Jeder Raum besitzt ein spezifisches Nutzungsprofil. Die Regelung über das Thermostatventil bringt zwei Nachteile mit sich: Einerseits wird häufig vergessen, die Heizung am Ende der Raumnutzung manuell herunter zu regeln andererseits muss stets an rechtzeitiges Aufheizen der Räume vor Beginn der Nutzung gedacht werden. Auch sollte eine zu starke Auskühlung von Oberflächen vermieden werden, da hierdurch sowohl die Schimmelbildung begünstigt wird, als auch das Behaglichkeitsgefühl deutlich nachlässt. Durch Automatisierung der Raumtemperaturabsenkung mit entsprechenden Thermostaten lässt sich die Raumheizung anhand bekannter Nutzungsprofile optimieren. Förderung von Heizungs-Checks Wer: ausgebildeter Installateur oder Schornsteinfeger Was: Zustand von Heizkessel, Pumpen, Rohren und die Regelung werden anhand einer Checkliste bewertet und Verbesserungsvorschläge unterbreitet, allerdings ohne Berücksichtigung der Gebäudedämmung. 18

19 Vorteile: Günstig, schnell und für den Laien verständliche Tipps zur Reduktion des Heizenergiebedarfs. Nachteile: Kann Langzeitmessungen des Wärmeverbrauchs nicht ersetzen, Bewertungen sind sehr grob und vernachlässigen z. B. wie oft der Brenner startet. Kosten: einfachste Variante ca. 100 Euro Förderung: durch die KfW werden Maßnahmen unter 400 Euro mit 100 Euro bezuschusst, Maßnahmen über 400 Euro mit 25%. 19

20 5 Wirtschaftlichkeit von Brennwertkesseln Bei der Verbrennung eines Energieträgers (z.b. Erdgas) entsteht neben Kohlendioxid Wasserdampf. Der Wasserdampf entsteht aus dem im Brennstoff enthaltenen Wasser, welches unter Energieaufwand verdampft wurde. Brennwertkessel kühlen die Abgase der Verbrennung so weit ab, dass der Wasserdampf kondensiert und flüssig in den Kondensatablauf tropft. Dabei wird die zur Verdampfung benötigte Energie wieder freigesetzt und kann zu Heizzwecken genutzt werden. Ist die Rücklauftemperatur der Heizkörper allerdings zu hoch (z.b. bei milder Witterung, wenn wenig Wärme vom Heizkörper an den Raum abgegeben wird), können die Abgase nicht so weit herunter gekühlt werden, dass eine Kondensation des Wasserdampfes und eine Nutzung des Energiegehalts erfolgen kann. Fängt man das Kondensat auf anstelle es einfach in den Ablauf zu leiten kann eine Kontrolle der Wirtschaftlichkeit des Kessels erfolgen. Sinnvollerweise sollte sie mehrmals und Kontrolle in verschiedenen Betriebszuständen stattfinden. Wenig Kondensat = schlechter Brennerbetrieb Vorgehen zur Kontrolle: - Kondenswasserschlauch lösen und Kondensat in einen großen Eimer leiten - Gaszählerstand ablesen Nach ein bis zwei Tagen (Kurzzeitmessung) oder definiertem Zeitraum: - Kondenswasserschlauch wieder anschließen - Gaszählerstand ablesen und aus der Differenz den Gasverbrauch berechnen - Kondenswasser abwiegen (Eimergewicht abziehen) 1kg ~ 1L - Rechnen: Brennwertgewinn:= (13,5% * Kondensatmenge in Liter) / (1,6 * Gasmenge in m 3 ) Maximal sind Brennwertgewinne von 13,5 % möglich 20

21 6 Glossar heizungstechnischer Fachtermini Altbau: Gebäude älter als 15 Jahre. Auslegungstemperatur: maximal notwendige Temperatur des Heizungswassers, um am kältesten Wintertag noch die notwendige Raumwärme erzielen zu können. In Deutschland bewegt sie sich je nach Region zwischen -12 C und -20 C. Differenzdruck: Eine Druckdifferenz entsteht zwischen zwei Gasen oder Flüssigkeiten z.b. durch einen Temperaturunterschied oder einen Strömungswiderstand wie ein Ventil. Zwischen den beiden Druckbereichen entsteht eine Strömung zum Ausgleich der Druckverhältnisse. Druckverluste: Je mehr Wasser durch das Leitungssystem (+ Armaturen) gepumpt wird, desto mehr Druckverluste gibt es. Eine Verdopplung des Volumenstroms bedeutet vierfachen Druckverlust. Für die Pumpen gilt, dass ein größerer Volumenstrom einen geringeren Förderdruck erfordert. Endenergie: Energie, die dem Verbraucher geliefert wird und mit der z.b. die Heizanlage betrieben wird. Heizkreis: in sich geschlossenes, meist separat regelbares System der Wärmeverteilung, z. B. für einen Gebäudeabschnitt, einen Raum oder einzelne Raumzonen. Heizkreise werden gebildet aus den angeschlossenen Heizkörpern, den dazugehörigen Ventilen, den Rohrleitungen für Vor- und Rücklauf, eventuell einer Heizkreispumpe (Umwälzpumpe) und eventuell einem Heizungsmischer. Heizkreise gehen häufig von einem so genannten Heizkreisverteiler ab. Heizkurve: Die Heizkurve ist eine grafische Darstellung, die angibt, welche Heizwassertemperatur bei welcher Außentemperatur notwendig ist (bei witterungsgeführten Systemen). Heizlast: Berechnung nach DIN EN Ziel ist die Gewährleistung der Beheizbarkeit der Räume bei regional spezifischen Auslegungstemperaturen. Die Heizlast dient als Maß zur Dimensionierung der Heizkörper. Die Heizlast in Watt/m 2 ist die Leistung eines Heizkörpers. Einflussfaktoren sind: Bausubstanz, Lüftungswärmebedarf, Außentemperatur, gewünschte Rauminnentemperaturen. Heizwärmebedarf (Heizarbeit): Berechnung nach DIN V 4108 Teil 6. Ziel ist die Berechnung des Endenergiebedarfs eines Gebäudes in einem definierten Zeitraum für eine bestimmte Fläche [kwh/m 2 ]. Einflussfaktoren sind: Art der Gebäudehülle, Nutzerverhalten (Anwesenheit), 21

22 Warmwasserverbrauch, Güte des hydraulischen Abgleichs, Wetter. Hub: Differenz in mm zwischen Ventilstellung offen und Ventilstellung geschlossen. K v -Wert / Durchflusskoeffizient: Maß für den erzielbaren Durchsatz [m 3 /h] einer Flüssigkeit oder eines Gases durch ein Ventil. Ein Ventil hat für jede Einstellstufe einen anderen K v -Wert. Bei bekanntem K v -Wert lässt sich der Durchsatz für beliebige Dichten und Druckdifferenzen bestimmen. Die Formel lautet: Volumenstrom ~ Druckdifferenz Dichte. Dies bedeutet, dass sich der Durchsatz bei 4-facher Druckdifferenz verdoppelt, während sich der bei 4-facher Dichte der Volumenstrom halbiert. Nutzenergie: Energie, die dem Verbraucher tatsächlich zur Verfügung steht, z.b. die Raumwärme. Unterschiede zur Nutzenergiemenge ergeben sich z.b. durch Verluste aufgrund des Kesselwirkungsgrads. Sekundäre Wärmequellen: Lebewesen, Vorgänge oder Geräte, die durch ihren Aufenthalt, ihr Stattfinden oder ihren Betrieb in einem Raum zu dessen Erwärmung beitragen, ohne dass dies die primäre Zweckbestimmung darstellt (z.b. Kochen oder die Wärme des Computers). (Temperatur-)Spreizung: Die Differenz zwischen Vor- und Rücklauftemperatur Sie ist hauptsächlich abhängig von der Wahl des Wärmeerzeugers: Wärmesystem Vorlauf- Rücklauf- Spreizung [ C] temperatur [ C] temperatur [ C] Brennwertkessel Wärmepumpe Nah- Fernwärme und Vor-/ Rücklauftemperatur: Die Temperatur des zum Heizkörper hinfliessenden bzw. vom Heizkörper zum Wärmeerzeuger zurückfliessenden Heizwassers. x p : Auslegungsproportionalbereich. Temperaturdifferenz bei der bei einer gegebenen Voreinstellung des Thermostatventils eine Schließung des Ventils erfolgt. (x p =1 K oder 2 K). Ventilautorität Verhältnis zwischen der Druckdifferenz, die sich über einem Ventil am Heizkörper bei Nenndurchfluss einstellt und der Druckdifferenz, die sich bei Nenndurchfluss in einem Heizkreis mit mehreren angeschlossenen Heizkörpern zwischen Vor- und Rücklauf 22

23 einstellt. Bei einer angenommenen Druckdifferenz von 50 mbar über dem einzelnen Ventil ergibt sich eine Ventilautorität von 0,5. Wärmeerzeuger: Genutztes Heizsystem, z.b. Brennwertkessel, Nah- und Fernwärme, Wärmepumpe etc. Wärmeübergabesystem: z.b. Heizkörper, Fußbodenheizung Wärmedurchgangskoeffizient (U-Wert): Maß für die Güte der Wärmedämmung. Gibt an, wie viel Wärme bei einem Temperaturunterschied von 1K bei einer Fläche von 1m 2 von der wärmeren zur kälteren Seite transportiert wird. 23

24 7 Weitere Tipps Die Stiftung Warentest hat verschiedene Thermostatventile ausgetestet. Der Bericht steht unter Thermostatventile/18222/18222/ zum Download. Werden die Wärmeerzeuger im zu beheizenden Bereich installiert, kommen die Wärme-und Bereitschaftsverluste der Raumwärme zugute. Nicht nur Rohrleitungen müssen gedämmt sein, sondern auch Verschraubungen, Armaturen, Flansche und Pumpengehäuse. Die Betriebstemperaturen sollten abhängig von der Außentemperatur gesteuert sein, die Speichertemperaturen aber nicht unter C eingestellt sein. Quellennachweis Impressum ECOCAMPING e. V. Gustav-Schwab-Str. 14G Konstanz Tel: Fax: info@ecocamping.net Nachdruck, auch auszugsweise, nur nach Rücksprache mit ECOCAMPING e.v. 24